細節前所未有豐富的原子照相技術
近半個世紀以來，我們已經能用電子顯微鏡拍攝到單個原子，但是還從未得到過如此規模的圖像。
一種新方法可以捕捉和測量電子束的噴射，為我們提供了一個全新的視角窺探亞原子的世界，也為分子結構的研究領域開闢了新的道路。
去年，美國康奈爾大學的工程師為傳統的電子顯微鏡進行了「眼科手術」，相當於矯正了電子顯微鏡的近視，並提升了收集和測量光線的方式。
現在我們以前所未有的清晰度測量了原子之間的化學鍵。
從根本上講，所有的顯微鏡都以一種大同小異的方式進行工作——一列波動經過測量物體，波動的能量被物體收集和反射，我們接收到這些能量，藉此判斷出物體的形態。波長越小意味著細節越豐富。
電子可以表現出相當輕微的波動特性，具體取決於它們所包含的能量，這使它們非常適合用來當做觀察小物體的工具。電子顯微鏡不使用鏡頭聚焦光線/電磁波，而是使用電磁場。
場中的像差限制了我們可以看到的物體的大小，就像鏡頭中的色差使圖像模糊一樣。工程師的通常手段是為電子顯微鏡佩戴一副「眼鏡」，並添加校正裝置來「修復」圖片。
但是，這種修復手段目前已經達到了潛力的極限。多樣像差需要大量的額外設備，從理論上講，它們可以讓工程師在噩夢中哭喊著醒來。
最新的技術，採用了一種被稱為電子顯微鏡像素陣列檢測器(EMPAD)的設備，它採用另一種方法消除了對「眼鏡」的依賴。它就像是微觀世界裡棒球捕手的電子手套，由128×128電子高敏像素陣列組成，捕捉反射回來的電子。
它不是根據電子的位置來構建圖像，而是檢測每個電子反射的角度。
使用通常應用於X射線顯微鏡技術的傅里葉疊層成像(ptychography)，可以構建一張四維地圖，不僅掌握電子來自何處，還能測量出它們的動量。
該團隊在兩組堆疊的二硫化鉬片狀結構上測試EMPAD和ptychography的結合技術，每個片層只有一個原子的厚度。
兩層二硫化鉬片狀結構的顯微圖像，康奈爾大學
晶格(如上圖所示)非常清晰，他們甚至發現少了一個硫原子。
除了用來吹噓，該技術還展現了巨大的優勢。
能量越高意味著波長越短。最先進的顯微鏡可以發射出300千電子伏特的電子流，可以分辨出0.05納米以下的細節。
但是，更多的能量也會把電子噴嘴從溫和的水槍變成危險的機槍，可能會擊毀被觀測分子。
而新的技術只需要較低能量水平的電子流——溫和的80 keV能量的電子流還不足以破壞二硫化鉬薄片的結構，因此可以用它們來做測試。
前所未有地，我們現在可以用低能量的電子來觀察精細分子中的化學鍵，為電子顯微鏡提供更溫和的觸感，同時展現了全新的細節水平。
或許以後，亞原子世界的攝影作品會成為人們掛在牆上的藝術品。
這項研究發表在Nature上。
本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
TAG:煎蛋 |